铸铁表面钨极氩弧重熔强化的研究

作者：信息来源:模具 2008-5-31

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摘要：为了提高铸铁表面的耐磨性，以HT200为试验材料，用钨极氩弧对其进行了局部重熔强化的系统研究，得出了相关工艺参数对重熔处理后表层组织和性能的影响规律。同时与镍基自熔合金喷焊及铸铁激冷处理表面强化法做了对比试验，结果表明，铸铁钨极氩弧重熔后激冷法是有效...

摘　要：为了提高铸铁表面的耐磨性，以HT200为试验材料，用钨极氩弧对其进行了局部重熔强化的系统研究，得出了相关工艺数对重熔处理后表层组织和性能的影响规律。同时与镍基自熔合金喷焊及铸铁激冷处理表面强化法做了对比试验，结果表明，铸铁钨极氩弧重熔后激冷法有效提高其耐磨性，发挥自身潜力，降低成本的一项新工艺。
关键词：钨极氩弧；重熔；铸铁；耐磨性
中图分类号：TG174.4　文献标识码：A
文章编号：1001-3814-(2000)01-0035-03

Investigation on Surface Hardening of Cast Iron by Tungsten Inert Gas Arc Remelting

YAO Jun, LIANG Wen-xin, WU Zhi-gang
（Department of Materials Engineering,Inner Mongolia Polytechnic University）

Abstract：To improve the resistance to abrasion for surface of cast iron,the wear resistibility of grey cast iron HT200 is increased by employing inert gas tungsten arc remelt and fast solidified.The effect of current and arc moving rate on the chilling layer microstructure and some properties are studied.The results are compared with those of spray coating by nickel alloys and cast iron chilled treating and it proved that rapid chilling of A-type cast iron by tungsten inert shielded gas arc melting as an energy source is much better and cheaper technique than others.And also promises to provide a new method for controlling microstructure and properties.
Key words：tungsten inert gas arc; remelting; cast iron; resistance to abrasion▲

1　引言

　　铸铁局部钨极氩弧(简称TIG)重熔处理是一项新的铸铁表面强化技术^［1，2］。本文以HT200材料为研究对象，进行了TIG重熔试验，研究重熔层组织、硬度和耐磨性与重熔工艺之间的关系。

2　试验材料和方法

　　炉料采用HT200，添加适量Cr和B，进行熔炼并浇注60×400 (mm)的试样，其化学成分见表1。

表1　铸铁的化学成分(w,%)

<DIV align=center> CSiMnSPBCrFe3.2～3.62.0～3.00.3～0.5≤0.12≤0.15≤0.07≤1其余</DIV> 　　按GB-12.444.1-90制备磨损试样，用钨极氩弧焊机，选择不同的电流、电压和电弧移动速度进行局部重熔处理。在MM-200型磨损试验机上进行磨损试验，所有试样先跑合10000转达到稳定的起始点后，开始记录磨损量。硬度试验在HR-150型洛氏硬度计上测定，显微硬度在

产71型显微硬度计上测定。试样在Neophot-I型光学显微镜、H700-H型电子显微镜、SEM 360扫描电子显微镜下进行组织分析。

3　试验结果及分析

3.1　重熔工艺参数与重熔层形状的关系
　　重熔区的断面形状呈半椭圆形(如图1)。其最大熔深(p)和最大宽度(b)与输入电流(I)、电弧移动速度(V)有关，对A型石墨的灰口铸铁来说，可用下列(1)、(2)、(3)式表述^［1，2］：

图1 重熔区断面形状

p=0.043f(J)+0.06　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

b/p=-0.036f(J)+5.6　　　　　　　　　　　　　　　(2)

式中f(J)称为重熔形状Jackson函数，它与电流I和电压E的关系式是：

f(J)=(I⁴/E²V)^1/3　　　　　　　　　　　　　　　(3)

由于石墨形态的不同，(1)和(2)式中的系数和常数项会有一定差异。改变I、E、V可计算出对应的p、b/p值。将其关系示于图2中^［1、2］，可见，当增大电流，减小电压和电弧移动速度可增大重熔层深度，并略降低重熔层中宽度和深度之比，可根据需要选择上述参数。

图2　重熔参数与形状系数的关系

3.2　强化层的硬度
3.2.1　电流强度与硬度的关系
　　在相同的重熔速度(电弧移动速度)下，改变电流强度，重熔层硬度随电流变化如图3a所示，可见，I增大，重熔层硬度随之降低，但均大于60 HRC，远超过灰口铸铁的硬度，也大于Ni45喷焊层硬度。

图3　电流强度(a)、电弧移动速度(b)与重熔层硬度的关系

3.2.2　电弧移动速度与硬度的关系
　　电流不变(100A)，改变电弧的移动速度，可得图3b。可知V提高，重熔层硬度随之增加。是由于V的提高使铸件冷速得到提高，淬硬倾向增加所致。
3.2.3　重熔层断面显微硬度
　　为了研究重熔层内的硬度变化规律以及与铸铁激冷和热喷焊Ni45相比较，测定了上述三种工艺的断面硬度，其结果见图4。可看出，重熔强化略高于喷焊Ni45，而大大高于铸铁激冷，并在一定深度范围(约I=200A,p=3.5 mm；I=100A,p=1.8mm)保持较高硬度。铸铁激冷表层硬度只有760 HV，并且随着与表面距离的增大急剧下降，这也是其耐磨性较差的另一方面原因。

图4　试样的断面硬度分布

3.3　重熔层的耐磨性
　　重熔层的耐磨性试验结果列于表2。可知，随着重熔电流的增加耐磨性下降，这与硬度的变化规律(图3a)相似；用加稀土喷焊的试样耐磨性高于Ni45喷焊的试样；重熔强化处理后试样的耐磨性远高于标准试样和喷焊试样。

表2　重熔试样、喷焊试样和标准试样的耐磨性

注：4^#为标准试样(灰口铸铁未重熔)；5^#为Ni45喷焊试样；6^#为加RE-Si-Fe的Ni45喷焊试样；W^-1=1/失重量

3.4　重熔层显微组织分析
　　经过TIG重熔处理后，该层由3个区域组成，见图5。表层A区为重熔层，中间层B区为淬硬层，而最里层C区为基底。液淬的A区组织为莱氏体和渗碳体的亚共晶组织(如图6a)，由于其冷速快和温度梯度高，因此组织极细，硬度和耐磨性高；B区组织为马氏体、残余奥氏体和A型石墨(图6b)；C区为基底组织，由片状石墨、珠光体和含铬碳化物组成(图6c)。

图5 重熔层断面区域划分

图6　重熔层不同区域的显微组织(a-A区； b-B区； c-C区)　400×

对A/B区界面处进行扫描电镜观察，看到其组织为由B区向表层方向生的板条状莱氏体和马氏体组成，基体组织中的A型石墨消失(图7)。

图7　A/B区界面处的扫描电镜照片　1680×

　　当重熔热输入增大时，A区重熔层中莱氏体组织变得粗大，且方向性增强(图8)。这时重熔层脆性加大，耐磨性下降。

图8　A区显微组织(重熔热输入量5 000 J/h)　400×

4　表面强化工艺特点比较

　　钨极氩弧特点是电弧功率密度大，能量非常集中，瞬间可将铸铁局部加热熔化，故形成的熔池小，其高的温度(约5000℃)和强的搅拌性，可将石墨击碎并迅速熔解。但是电弧是移动的，对熔池作用的时间很短，移开后，对于小熔池，铸件本体即成为强大的激冷源，根据铸铁的凝固特性，此时熔池中铁水不可能有足够长的时间和能量按稳定系转变形成石墨，而是按亚稳定系转变形成莱氏体和渗碳体的亚共晶组织^［4］。这就是钨极氩弧局部重熔利用自身的加热特点改变铸铁局部组织提高硬度和耐磨性的根本原因。利用冷铁激冷的铸造工艺，虽然也可获得硬度高的组织，但是由于浇注时熔体量大，减弱了激冷作用，铸件局部即使获得了白口组织莱氏体也较粗大(如图9所示)，其硬度和耐磨性都低于局部重熔强化组织。

图9　铸造激冷层组织　200×

　　当然，TIG重熔强化也有不足之处，如抗热疲劳性能不及热喷焊、产生气孔敏感性大等，但是只要调整好铸铁中的某些合金元素含量，采用合理的重熔工艺，这些缺点是可避免的。

5　结论

　　(1)在相同的电弧移动速度下，随着电流的增加，组织变粗大，硬度减小，耐磨性下降。
　　(2)当电流强度一定时，随电弧移动速度的增加，硬度升高，耐磨性提高。
　　(3)本试验所用的铸铁激冷、热喷焊Ni45+(RE-Si-Fe)0.1%和TIG重熔三种工艺方法中，以后者的硬度和耐磨性最高。
　　(4)钨极氩弧重熔电流为100 A，电弧移动速度为1.7～2.0 mm/s时，硬度和耐磨性能达到最佳。■

作者简介：姚军(1962-)，男，讲师，在职硕士。
作者单位：姚军（内蒙古工业大学材料工程系，内蒙古呼和浩特 010062）
　　　　　梁文心（内蒙古工业大学材料工程系，内蒙古呼和浩特 010062）
　　　　　邬志刚（内蒙古工业大学材料工程系，内蒙古呼和浩特 010062）

参考文献：

［1］　平罔武，田中雄一.再溶融硬化处理した铸铁のチル层性状に及ぼす黑铅形状の影响.［J］.铸物，1995，67(2)：82.
［2］　田中雄一.铸物の局部再溶融にとる表面强化.［J］.铸物，1990，62(6)：412.
［3］　马捷等.铸铁激光重熔技术在泥浆叶轮表面强化中的应用.［J］.金属热处理，1997,(9)：19.
［4］　刘政军.稠油泵内表面的重熔强化.［J］.焊接学报，1998，19(3)：135.

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